土压盾构穿越超大埋深富水断裂带施工技术

发表时间:2018/5/8   来源:《建筑学研究前沿》2017年第35期   作者:李学科
[导读] 土压盾构穿越超大埋深富水断裂带施工技术是建立在全国首例深隧工程中,区间隧道埋深达36m,水头压力大。

广东华隧建设集团股份有限公司  广东广州  510010
摘要:土压盾构穿越超大埋深富水断裂带施工技术是建立在全国首例深隧工程中,区间隧道埋深达36m,水头压力大,盾构于K0+710~K0+770段穿越清泉街断裂带,场区断裂带裂隙劈理发育,地下水作用强烈,岩质强度较正常岩性偏低,渗透性大,存在喷涌的风险。通过径向孔注低渗透性惰性浆液(由优质膨润土、粉煤灰通过试验配比取得)、通过管片吊装孔钻孔进行深孔注浆以此来隔断盾构后方来水;通过向土仓注入改良优质膨润土进行渣土改良提高土仓土质抗渗性能达到防止地下水渗入效果;通过仓位控制、掘进前仓内泄压、停机时仓内加压等方式防止喷涌产生。
关键词:土压盾构;深隧工程;超大埋深富水断裂带

 
        1.前言
        随着城市的发展,隧道在市政工程中日益普及,盾构法施工作为隧道施工的一种,也逐渐被市政隧道施工所采用。受广州复杂地质影响,存在盾构掘进区间短距离需要采用泥水盾构,区间大部分掘进可采用土压盾构,针对以上情况,若采用双模盾构机经济性不够,且双模盾构会牺牲某一模式的部分功能。通过采取施工措施,土压盾构也能完成富水断裂带施工。
        土压盾构穿越超大埋深富水断裂带时,由于富水断裂破碎带裂隙发育,极易发生涌水现象。松散渣土进入土舱后,易与承压水混合形成高压泥浆,从螺旋输送器出土口喷射出来,发生喷涌,严重污染盾构机中后部机体及作业环境,工程被迫停工清理,严重时导致土仓压力骤降而引起较大地面沉降。开展适用于富水地层的土压盾构施工技术,能够有效降低喷涌风险;同时施工占地小,降低清泥时间,缩短掘进时间,提高掘进效率。因此,该技术顺应了隧道盾构施工的发展趋势,有极大的推广及应用价值,在广东乃至国内城市轨道交通工程及市政隧道工程将会有较大的应用前景。研发该技术为富水地层的土压盾构施工提供了新的思路和技术,有效解决了富水地层的土压盾构施工中的常遇到的问题,为国内隧道发展做出贡献。
        2.技术措施
        土压平衡盾构通过富水地层的施工解决思路是通过防治结合的方针,防是防止大量地下水涌入土仓造成仓压过大而喷涌,主要是通过深孔注浆、径向孔注惰性浆液、加强管片补浆质量控制等措施隔绝盾构后方涞水,减少地下水涌入土仓;
        治是通过渣土改良形成低渗透的浆液抵抗地下水,也通过防喷涌的仓位控制及泄压技术和施工措施来实现。主要包括以下几点:
        (1)径向孔注低渗透性惰性浆液(由优质膨润土、粉煤灰通过试验配比取得)减少盾构后方来水;
        (2)通过管片吊装孔钻孔进行深孔注浆,注浆深度达到3m以此来减少盾构后方来水;
        (3)防喷涌操控技术,通过仓位控制及土仓泄压的方式有效减少了喷涌;
        (4)过富水断裂带施工措施。
        3.施工流程
        1)过断裂带前开仓检查、维修设备
        盾构过断裂带前,对盾构机液压系统、电气系统、注浆系统,发泡系统,土压力传感系统,盾尾油脂系统,气压系统,隧道内排水系统等各大系统及配套设施进行一次全面的检查,并进行盾构开仓检查刀盘结泥饼情况和刀具磨损情况,必要时人工清理泥饼和更换刀具,保证盾构机能均匀快速的通过断裂带。
        2)管片补浆
        为保证管片注浆效果,每环做一次管片注浆(一个吊装孔注浆点位),每5环做一次止水环隔断后方来水防喷涌,保护盾尾密封。止水环需连续两环注浆,注浆过程可将后方管片注浆孔打开泄压,以保证浆液不会往前跑入土仓。注浆完成后做好封孔。
        3)深孔注浆
        为扩大对盾构后方来水截水面积,采取对吊装孔位置进行深孔注浆的方式。钻孔深度一般可达2~3m,钻孔完成利用注浆设备进行注浆。注浆前做好双液浆配比试验,确定好凝结时间,不能太长和太短,太短浆液来不及扩散。
        (1)注浆材料
        注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆。
        (2)注浆参数
        水泥:采用42.5级普通硅酸盐水泥。
        水玻璃:模度为2.8-3.2,浓度为30-38Be,。
        双液浆比例:水泥水灰比为1:1,水泥浆:水玻璃体积比为5:1。
        注浆压力为:0.3-0.8MPa
        胶凝时间:30s-60s。
        4)径向孔注惰性浆液
        径向孔注低渗透性惰性浆液,可有效阻隔盾构后方的地下水,同时比聚氨酯有防裹住盾构机的优势,注聚氨酯遇到地下水即刻凝固,注入不均匀、流动性不足,易形成渗水通道,惰性浆液流动性好,不能凝固造成裹住筒体的现象。
        通过现场试验确定配比为1m3惰性浆液中50kg捷钻膨润土(使用前至少3h加水膨化),600kg粉煤灰,900kg水,比重1.5,黏度160s,加粉煤灰主要考虑增加浆液比重抵抗地下水,最后按配比调出果冻状的浆液,经泵送实验良好,具备可泵性。
        5)渣土改良
        碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入高粘度泥浆或泡沫,利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合,使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性和较小的摩阻力,并降低粘土的粘性,以确保盾构机在过断裂带时能顺利快速通过。
 
  
 
图3 膨润土试验图
        6)防喷涌控制技术
        在富水断裂带地层中掘进,大量地下水快速补给土仓,加上开挖下的渣土,很快形成很高的水土压力。根据施工实践,水土压力上升至0.12 Mpa,螺旋机出土含水较多,皮带很难带上渣土;水土压超过0.18Mpa,开启螺旋机闸门就开始喷涌,压力越高喷涌越严重。因此采取以下措施防止喷涌:
        (1)在土仓壁上部的球阀接管排水,在盾构掘进开始前放出仓内积水泄压,减少仓内积水量及压力,通过泄压也减少喷涌的产生,同时也防止土仓压力过大击穿主轴承密封,在土仓壁上预留压力表,保证压力<0.3Mpa,压力过大时及时进行泄压。排除的积水含渣量少可泵性强,通过污水管泵送到井口沉淀池进行沉淀后排放,减少了喷涌及清泥的时间,提高掘进效率;
        (2)盾构掘进前仓位控制在1/2到2/3之间,有利于减少喷涌;
        (3)贯入度控制在2cm,保证切削下渣土较大块状,防止结泥饼,加快速度,保证连续快速掘进。
        7)防泥饼措施
        盾构在风化泥质岩层地层中掘进时,可能会在刀盘中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼,在富水地层开仓较为困难,因此在施工中做好防泥饼措施措施如下:
        (1)每环掘进需停机甩刀盘泥块,或者掘进参数异常也要停下甩刀盘泥饼。
        (2)在土舱内设置土压力传感器,及时反映土舱内泥土粘附情况,预防“泥饼 ”的形成。
        (3)保证切削贯入度在2cm以上,防止刀盘只是刮到泡水软化泥皮造成泥团裹住刀具结泥饼,而不是切口成块岩块。
        (4)通过注入泡沫对渣土进行改良,经过泡沫改良的渣土降低了对盾构机的附着性,同时具有良好的流动性和弹性,便于螺旋出土器排出;对于易结泥饼的强风化泥岩地层,还可以通过在泡沫剂内加入分散剂,在掘进期间迅速分解渣土,防止渣土在刀盘上和土仓内堆积,起到防治泥饼的作用。
        8)其他措施
        土压盾构通过富水断裂带除了要截住地下水外,也需做好防喷涌、地下水损失过大引起的沉降,虽地层为全断面中风化泥岩,但遇水易软化,也存在一定的风险,因此需做好以下措施:
        (1)做好地下勘探工作,防止开挖和盾构推进过程中意外情况发生。穿越前,采用超前地质预报,如地质雷达、TSP及超前钻探等综合手段对穿越地段地下做详尽地下勘探,彻底摸清地下障碍物情况,排除意外因素
 
图3 渣土改良系统
        (2)合理选择掘进模式和参数。盾构过断裂带按以下参数操作:
        掘进速度控制在20~30mm/min;总推力控制在10000~15000kN;转速设为1.2-1.6r/min,刀盘扭矩为2000~3000kN?m。具体参数是根据土仓压力进行调整变化。
        (3)严格控制出土量,根据始发阶段类似掘进情况确定出土量65~70m3左右,出土量增大时及时反应,查看地面情况调整模式及参数;
        (4)加强盾构过断裂带期间的地面监测,及时反馈监测信息,加密监测频率,根据监测信息及时调整模式及盾构参数。
        (5)项目部将针对盾构过断裂带建立完善的应急预案及应急小组,配备足够的应急物资,尤其是水泵,当地下水过大时,具备抽排能力防止隧道被淹。
        4.质量控制
        (1)同步注浆及管片补浆压力必须得到有效控制,注浆压力不得超过限值。
        (2))在管片环脱离盾尾后要及时对管片连接螺栓进行二次紧固,以免因管片脱出后受力情况改变而产生较大的变形,同时,对于施工同步注浆中没有达到理论注浆量的环,要及时进行二次注浆。
        (3)为了防止地层中裂隙水和注浆的浆液从盾尾间隙中漏入盾构,同步注浆时盾尾密封装置必须完好。盾构起步时密封刷上必须涂足密封油脂,推进中还应按要求压注油脂,以提高密封效果,减少密封刷与管片外表面的磨擦,延长密封刷寿命。
        (4)要严格控制管片拼装的垂直度、真圆度、拧紧螺栓到达规定扭矩、曲线地段和修正蛇行时楔形管片或垫块的拼装位置等,防止接缝张开漏水。
        (5)对施工可能危及附近建筑安全的监测,应进行地表沉降、变形,附近建筑物沉降观测的监控测量。
        (6)钻孔过程要注意控制垂直度,避免卡钻头的现象。
        (7)浆液拌制过程要控制好配合比及水灰比,同时原材检测合格后方可使用。
        5结语
        土压盾构穿越超大埋深富水断裂带施工技术进行了研究,通过径向孔注低渗透性惰性浆液、深孔注浆等阻隔盾构后方来水,采用仓位控制及土仓泄压的方式有效减少喷涌,将优质膨润土注入土仓形成低渗透性浆体,提高了施工效率,保证了施工质量与安全,形成了相应的施工新技术新技术。

参考文献
[1]贺长俊,蒋中庸,刘昌用.浅谈暗挖法隧道施工技术[J].市政技术,2009,03:274-279。
[2]宋军.暗挖隧道下穿建筑物注浆施工技术[D].中南大学,2013。
[3]田宪国.暗挖矿山法隧道施工技术研究[D].同济大学,2007。
 

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